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1、光电测试技术,成都信息工程学院,第六章 激光衍射测试技术,2,引 言,光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。使光波发生衍射的障碍物或者其它能使入射光波的振幅或位相分布发生某种变化的光屏称为衍射屏。激光出现后，由于它具有高亮度、相干性好等优点，使光的衍射现象在测试技术中得到了实质性应用。激光衍射测试技术是一种高准确度、小量程的精密测量技术，应用比较广泛。通常把衍射现象分为二类：1）菲涅耳衍射，光源和观察屏（或二者之一）离开衍射屏距离有限，又称为近场衍射；2）夫琅和费衍射，光源和观察屏
2、距离衍射屏都相当于无限远，因而又称为远场衍射。,3,惠更斯菲涅耳原理,1、惠更斯原理(Huygens principle)：（1）波阵面的形成，（2）波面的传播方向：沿各个方向。,2、菲涅耳原理 因惠更斯子波来自同一光源，具有相干性，波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加的结果。,4,基尔霍夫(Kirchhoff)从波动方程出发，用场论得出了比较严格的衍射公式。,5,设有两个互补屏E1和E2，则有：,E1E2无屏,产生的衍射：,除中心点P0，,则,光强：,所以形状大小一样的屏和孔产生的衍射图样是一样的，一个形状相等的狭缝和细丝的衍射图形也是一样。,巴比涅原理(Babinet prin
3、ciple),6,6-1 激光衍射测试技术基础,7,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射夫琅和费衍射的计算比较简单，特别是对于简单形状孔径的衍射，通常能够以解析形式求出积分，并且夫琅和费衍射是光学仪器中最常见的衍射现象。激光衍射测量的基本原理是利用激光的夫琅和费衍射。夫琅和费衍射实验装置,8,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝夫琅和费衍射强度分布用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为b的单缝夫琅和费衍射光强分布表达式：其中其分布如图示。,9,10,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝测量的基本公式易知，衍射条纹平行于单缝方向。当，且k取整数
4、时，出现一系列暗条纹。利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。当不大时：因此缝宽b可以写成,11,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝测量的基本公式利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。当被测物尺寸改变b时，相当于狭缝尺寸b改变b，衍射条纹的位置也随之改变：,12,13,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程测量分辨力能分辨的最小量值：测量合成标准不确定度测量量程一般为0.010.05mm。,HeNe激光器波长稳定度一般优于10-6，这项误差可不予考虑。一般情况下，L和xk的相对不确定度不超过0.1%。
5、取L=1m，=0.63m，k=3，xk=10mm，可得到uc(b)=0.3m。实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达到的不确定度一般在0.5m左右。,14,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.2 圆孔衍射当平面波照射到圆孔时，其远场夫琅和费衍射像是中心为圆形亮斑、外面绕着明暗相间的环行条纹艾里斑：,15,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.2 圆孔衍射,圆孔夫琅和费衍射条纹的极值位置及光强分布,16,6-2 激光衍射测试方法,17,6-2 激光衍射测试方法,6.2.1 间隙测量法间隙测量法是基于单缝衍射原理。,18,6-2 激光衍射测试方法,6.2.1 间隙测量法间隙测量法的基本装置
6、示例(P207图5.8)。,绝对法,分别是第k个暗条纹在缝宽变化前后距中央零级条纹中心的距离,增量法,是通过某一固定的衍射角来记录条纹的变化数目,19,6-2 激光衍射测试方法,6.2.2 反射衍射测量法反射衍射法是利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。,20,6-2 激光衍射测试方法,6.2.2 反射衍射测量法角一般是任意的，测得某一入射角位置的两个xk值代入公式，联立解出值和b值。从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.50.025m。,21,6-2 激光衍射测试方法,6.2.3 分离间隙法在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔z。此
7、时衍射图形出现不对称现象。测两次，联立求解。,22,6-2 激光衍射测试方法,6.2.4 互补测量法激光衍射互补测量法的原理是基于巴比涅原理，当用平面光波照射两个互补屏时，它们产生的衍射图形的形状和光强完全相同，仅位相差为。利用此原理可对各种细金属丝和薄带的尺寸进行高准确度的非接触测量。,d,L2,平行光束,互补法测量细丝直径原理图,23,6-2 激光衍射测试方法,6.2.5 艾里斑测量法艾里斑测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行微小孔径的测量。,1接收全部能量，其电压幅度不随孔径变化而变化,2只接收艾里斑中心的部分能量，其电压幅度随孔径大小和艾里斑面积改变而变化,24,6-2 激光衍射
8、测试方法,6.2.5 衍射频谱检测法激光衍射频谱检测法是利用衍射条纹傅里叶变换面上的频谱变化，对工件表面缺陷进行检测，可应用于金属筛孔、集成电路掩膜、纤维、线材以及硅片等表面检测。其主要检测方法有两种：傅立叶变换检测法和二次傅立叶变换检测法。二次傅立叶变换检测法举例：,25,6-2 激光衍射测试方法,6.2.6 衍射频谱检测法检测过程如下：首先将一块标准试样（或合格品）放在图示的4的位置上，获得傅里叶变换图，摄取在照片上，其负片是一张空间滤波器。这种滤波器的制作是这种检测方法的关键。检测时，将这张滤波器置于图中6的位置上，把被检测件置于4的位置上。如果试件上有缺陷，通过逆傅里叶变换（透镜）后就
9、能在观察屏8上看到亮点。亮点表示试件在这个对应位置上存在缺陷。检测大规模集成电路掩膜缺陷时，可以达到0.8m的检测分辨力。,26,27,6-3 衍射光栅,28,6-3 衍射光栅,能够使入射光的振幅或位相，或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件叫做衍射光栅。分类：根据利用反射光还是透射光，衍射光栅可分为反射光栅和透射光栅两类；按它对入射光的调制方式又可分为振幅光栅和位相光栅；此外，还有矩形光栅和余弦光栅，一维、二维、三维光栅等。光栅种类虽然较多，但其主要应用是作为分光元件，在光谱测试、光通信系统等领域有广泛的应用。这里仅介绍几种应用。,29,6.3.1 衍射光栅的基本特性 光栅方程,色散本领,分辨本领,30,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例1光谱仪,31,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例2光波分复用器,32,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例3光纤光栅光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅利用光纤材料的光敏性（外界入射光和掺锗光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。目前制作的光纤光栅反射率R可达98，反射谱宽为1nm。,33,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例4光栅分束器,
